pH와 미생물 생장의 관계
pH는 용액 속 수소이온 농도를 나타내는 척도로, 7을 기준으로 이보다 높으면 알칼리성, 이보다 낮으면 산성, 7이면 중성을 의미합니다. pH는 미생물의 생장과 대사활동에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 환경 요인입니다. 미생물은 각기 생리적 특성에 따라 생장할 수 있는 pH 범위가 다르며, 이 범위를 벗어나면 효소 활성 저하, 세포막 손상, 대사 억제 등이 발생해 생장이 어려워집니다. 식품의 부패나 발효, 저장 과정에서 나타나는 pH 변화는 이러한 미생물의 생리적 반응과 밀접하게 연결되어 있습니다. 따라서 pH의 조절은 단순한 화학적 수치 조정이 아니라, 미생물 제어와 식품 안전성을 확보하기 위한 과학적 관리의 핵심이라 할 수 있습니다. 미생물마다 성장할 수 있는 pH 범위와 성장에 가장 적합한 적정 pH가 있습니다. 곰팡이와 효모는 4~6, 그리고 세균은 6.5~7.5에서 가장 잘 자랍니다. 적정 pH보다 낮은 환경에서는 미생물의 성장 속도가 느려지고, 유도기가 길어지며, 최대 세포 수가 줄고, 사멸 속도가 빨라집니다. 생장할 수 있는 최저 pH는 배양 온도, 수분 활성도, 이용할 수 있는 영양분, 저해제 유무 등에 의해 결정됩니다. 세포 내 pH는 일반적으로 중성 부근에서 유지될 때 대사가 가장 활발합니다. 극단적인 pH 환경에서는 세포막이 손상되어 일부 이온이 침투하고, 핵산과 효소 단백질이 변성되어 결국 세포가 사멸합니다.
pH의 식품 내 변화와 미생물 활동
식품의 pH는 종류에 따라 다양하지만, 대부분은 산성에서 중성 범위에 있습니다. pH가 낮아 곰팡이나 효모의 생장이 어려운 일부 과일을 제외하면, 대부분의 식품에서는 미생물이 생장할 수 있습니다. 가공되지 않은 식품은 다양한 미생물에 의해 오염될 수 있으며, 각 미생물의 생장은 여러 요인의 상호 작용에 의해 결정됩니다. 일반적으로 미생물의 생장에 의해 식품의 pH는 변하게 됩니다. 육류는 Pseudomonas 속과 같은 그람 음성 간균이 증식하면 부패가 일어나며, 이때 pH는 알칼리성으로 변합니다. 이 균은 아미노산을 탄소원으로 이용해 알칼리성의 암모니아를 생성하는 특징을 가집니다. 육류는 채소류에 비해 pH 변화에 저항성이 크고, 완충능력이 높습니다. 한편, 식품 발효에서는 당류에서 젖산이 생성되어 식품의 pH가 변화됩니다. 예를 들어 우유는 lactobacillus 속과 streptococcus 속 등에 의해서 젖산이 생성되는데 그 때문에 우유가 시어집니다. 식중독균과 부패균의 생장 억제를 위해 식품 내 유기산 함량을 조정하는 방법이 이용됩니다. 많은 식품 보존제는 약한 유기산입니다. 식품 내 존재하는 병원성균은 pH 4.2 이하에서 제어되어 일반적으로 안전하다고 할 수 있습니다. 식품에서는 주로 미생물 생장을 저해하는 약산성 유기산들이 pH를 결정하는데, pH 4.2 이하에서는 거의 생장하지 않습니다. 식품의 pH를 유기산으로 조정해 식중독균의 최소 생장 pH 이하로 낮추면, 미생물은 생장하지 못하고 유도기에 머무를 수 있습니다.
pH 관리 기술과 미생물 제어 응용
배양 배지는 배양하려는 미생물에 적합한 pH로 조정합니다. 보통 곰팡이는 산성, 세균은 중성의 pH로 조정하는데, pH 조정으로 미생물의 선택적 분리가 가능합니다. 미생물의 대사로 인해 배지의 pH가 변화될 수 있는데 이를 pH drift라고 합니다. 이는 배양액 내 질소원이나 탄소원의 영향을 받는데, 미생물의 성장 중단, 정지기 이행, 세포 사멸과 관련이 있습니다.
아미노산을 포함한 배지는 아미노산의 완충 작용 덕분에 pH 변화에 대한 저항성을 보이기도 합니다. 인산 등과 같은 버퍼를 배양액에 첨가해 pH 변화를 막는 경우도 있습니다. 버퍼는 작용 가능한 pH 범위가 좁고, 독성이 없어야 하기 때문에 배양 배지에 적합한 버퍼를 선택하는 것은 쉽지 않습니다. pH 전극으로 변화를 주기적으로 모니터링하고, pH drift가 발생하면 산 또는 알칼리를 자동으로 보정하는 시스템을 이용하면 보다 안정적인 조절이 가능합니다. 배양액의 pH 변화는 미생물의 대사활동 및 생화학적 반응과 밀접한 관련이 있습니다. 배양액에 pH 지시약을 넣어 대사 산물에 따른 pH 변화를 관찰하면, 이를 생화학적 시험법을 활용해 세균을 동정할 수 있습니다. pH 지시약인 브로모크레졸퍼플과 라이신으로 만든 lysine iron agar(LIA)는 초기에는 pH 6.7로 푸른색을 띠는데, lysine decarboxylase 효소를 생산하는 균이 자라면 아미노산이 아민으로 바뀌며 색이 진한 보라색으로 변합니다. 이런 반응은 Salmonella 속을 동정할 때 이용됩니다.